Введение к работе
Актуальность. Экспертные системы (ЭС) традиционно применяются для решения сложных задач. В них используются слабо формализованные знания специалистов-практиков и логическая обработка информации превалирует над вычислительной. Обширный круг предметных областей, в которых перспективно использовать ЭС, можно расширить за счет областей знаний, где применяются хорошо формализованные задачи. Здесь мнение эксперта может быть решающим при выборе того или иного алгоритма вычислений. Эта возможность реализуется с помощью гибридных ЭС. Широкое распространение Интернет позволяет в реальном времени получать консультации экспертов находящихся на значительном удалении от потребителя знаний. Web-ориентированные гибридные ЭС представляют программный комплекс, агрегирующий стандартные пакеты прикладных программ (ППП), средства манипулирования знаниями и Web-оболочку. Построение таких систем являет собой задачу на порядок более сложную, чем разработка автономной ЭС. В связи с чем, возникает необходимость разработки технологии проектирования Web-ориентированных гибридных ЭС. В виду того, что основой ЭС является база знаний (БЗ) проблемной области, исследование выполняется на примере построения Web-ориентированной ЭС для целей рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) химического состава вещества.
РФА обладает развитой теорией, и для решения своих задач традиционно привлекает аппарат математического моделирования, математическую статистику, теорию планирования эксперимента, системы управления базами данных. Создано множество пакетов прикладных программ (ППП) и специализированных программных комплексов, реализующих отдельные аналитические задачи. Как правило, в настоящее время зарубежные производители программного обеспечения для аналитических комплексов поставляют потребителям отдельные вычислительные блоки с закрытыми алгоритмами реализации. Постановка каждой новой аналитической задачи требует вложения немалых дополнительных средств. Более эффективным является предоставление потребителю универсального программного обеспечения, пригодного для решения широкого круга задач. Однако, опыт внедрения такого программного обеспечения (ПО) показал, что даже при открытом описании вычислительных алгоритмов, их реализация на практике требует высокой квалификации аналитика и не всегда обеспечивает желаемый результат. Корректное применение разработанных программ является задачей высокопрофессиональной и требует привлечения экспертных знаний и повышение уровня квалификации работников.
Следовательно, создание таких Web-ориентированных гибридных ЭС, в которых знания экспертов применяются при выборе алгоритма вычислений в хорошо формализованных областях знаний, является актуальной задачей. Поэтому в Иркутском го-
сударственном университете путей сообщения существует научное направление, в рамках которого создается ЭС, позволяющая выполнить разработку градуировочной функции конкретной методики анализа (в аналитическом виде), основываясь на знаниях экспертов в области РФА. ЭС разрабатывается как Web-приложение, что позволит осуществлять повышение квалификации инженерных кадров без отрыва от производства и интерактивно решать сложные методические задачи, связанные с построением математических моделей предметной области, а так же привлекать к решению задач сторонних экспертов.
Целью настоящих исследований является разработка технологии построения Web-ориентированных гибридных экспертных систем.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
Основываясь на системном подходе разработать методику проектирования Web-ориентированных гибридных ЭС, предназначенных для использования в Интернет.
Разработать модель управления знаниями в гибридных ЭС и методику их конвертации в унифицированную реляционную логическую модель базы данных.
Выполнить проектирование и разработку оболочки для создания гибридных экспертных систем в Интернет.
Разработать быстрый прототип ЭС для построения градуировочной функции в РФА.
Объектом исследования являются Web-ориентированные гибридные ЭС.
Предметом исследования служат модели управления и структурирования знаний, данных и технологии программирования Web-ориентированных гибридных ЭС.
Методами исследования являются методы системного анализа, методы классификации, теории множеств, методологические основы теории представления структур данных и знаний, онтологический подход к представлению знаний, объектный подход (анализ, проектирование, программирование), методы проектирования и реализации ЭС и Web-приложений, гибридный подход к созданию ЭС.
Научную новизну работы составляют и на защиту выносятся следующие положения:
1. Методика моделирования процесса управления знаниями и данными гибридных ЭС, предназначенных для использования в Интернет, основанная на системном подходе к моделированию основных этапов жизненного цикла ЭС и реализации принципа множественности, позволяющего интегрировать в единую среду разработки множество информационных, физических и математических моделей для описания отдельных элементов и системы в целом.
Методический подход к разработке унифицированного представления знаний в Web-ориентированных гибридных ЭС, включающий модель представления знаний в виде фреймовых субиерархий и методику их конвертации в унифицированную реляционную логическую модель базы данных, адекватную онтологии произвольной предметной области.
Подход к проектированию программного обеспечения ЭС, основанный на двухуровневой структуре управления данными и знаниями, и результат его применения в виде двух управляющих компонентов.
Обобщенная гибридная модель знаний ЭС для построения градуировочной функции в рентгенофлуоресцентном анализе.
Практическая значимость работы. Оболочка ЭС реализована в виде универсального программного средства, позволяющего разрабатывать гибридные экспертные системы в различных предметных областях. При этом вся работа экспертов и пользователей ЭС выполняется в режиме реального времени через Интернет, что позволит большому числу пользователей одновременно работать с системой. Такие экспертные системы могут найти применение не только в решении практических задач, но и в профессиональном образовании. Web-ориентированная экспертная система для обучения основам использования математических моделей возбуждения интенсивности рентгеновской флуоресценции, разработанная в рамках диссертации, может быть использована специалистами при разработке методик анализа с использованием рентгеновских спектрометров. А таких спектрометров отечественного производства (ЗАО «Научприбор») на предприятиях металлургии, цементной и стекольной промышленности, в машиностроении и в научных учреждениях более 500. Также, используются аналитические комплексы импортного производства.
Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на: V и VI Всероссийской конференции по рентгеноспектральному анализу (Иркутск, 2006, Краснодар, 2008); VIII Школы-семинара молодых ученых «Математическое моделирование и информационные технологии: управление, искусственный интеллект, прикладное программное обеспечение и технологии программирования» (Энхалук, 2006); XII Международной конференции «Информационные и математические технологии в научных исследованиях (Иркутск, 2007); III научно-практической интернет-конференции «Проблемы и перспективы формирования образовательного пространства в условиях становления информационного общества» (Иркутск, 2010); II межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура сибирского региона» (Иркутск, 2011).
Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 13 статьях, из них 3 в изданиях рекомендованных ВАК, получено 2 свидетельства о регистрации.
Личный вклад. Результаты, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, списка литературы из 125 наименований и приложений на 131 стр. (основной текст 104 стр.), включает 7 таблиц и 46 рисунков.
